一种栅控二极管触发的低压SCR结构保护器件的制作方法

本发明涉及半导体，尤其涉及一种栅控二极管触发的低压scr结构保护器件。

背景技术：

1、近年来，集成电路制造技术发展迅速，带来电子产品快速的更新换代，usb3.1、hdmi2.1、type-c等低电压超高速数据传输接口广泛应用于电子产品中。为了保证电子产品的质量和可靠性，其芯片和对外接口的电路必须具备一定等级的抗esd能力，因此需要越来越多的防护器件。scr(silicon-controlled rectifier,可控硅)作为一种单位面积鲁棒性强，寄生电容小的保护器件被广泛应用到各类产品中。

2、对于低工作电压(1.5v～3.3v)、低寄生电容(<0.5pf)要求的应用环境上所需要的scr防护器件，有以下几种常见的传统设计结构。

3、如图1所示的一种传统设计，可以设计较淡的300nw掺杂浓度、较淡的301pw掺杂浓度，在较小电压下通过401p+/300nw/200epi穿通击穿，或200epi/301pw/402n+穿通击穿，提供初始电流进而触发401p+/300nw/301pw/402n+scr结构开启，从而泄放从阳极到阴极的esd电流，保护后级电路。但图1结构设计上，实现恰当的淡300nw/301pw掺杂较难控制，量产中存在电性大幅波动的问题。另外，401p+/300nw/200epi或200epi/301pw/402n+构成基极浮空的寄生三极管结构，容易在后级电路正常工作电压下产生较大漏电流，从而导致后级电路工作异常。

4、如图2所示的一种传统设计，在300nw和301pw交界处增加404n+和405p+结构，在较小电压下利用二者浓掺杂实现齐纳击穿特性，提供触发scr结构的初始电流。但是这种设计上，404n+和405p+的浓掺杂特性，使得二者产生较大的寄生结电容，影响高速数据的正常传输。另外，浓掺杂的404n+和405p+也易在正常工作电压下产生较大漏电。

5、如图3所示的一种传统设计，是在300nw和301pw之间增加一个栅控二极管，由404n+和405p+构成二极管阴阳极，500栅氧层和501栅极作为栅极控制二极管。501栅极常见与阳极直接相连以提供高于405p+的电位，也可以与外接触发电路相连，由触发电路提供高于405p+的电位，从而开启scr结构。原理上，501栅极在一定的高电位下，对500栅氧层下方的200epi沟道区域施加电势，从而缩小404n+/200epi界面处或200epi/405p+界面处的能带势垒宽度，满足一定的势垒宽度后，载流子可以通过带带隧穿效应越过结势垒，从而构成初始电流，触发scr结构以泄放esd电流。

6、但是此种设计存在几个主要问题：

7、<1>.404n+作为浓掺杂区域，增加了寄生电容；

8、<2>.501栅极长度较小时，浓掺杂的404n+使得正常工作电压下的耗尽区向200epi和301pw区域扩展，易造成与402n+之间的穿通漏电；

9、<3>.由于需要在较小电压下提供初始电流开启scr结构，500栅氧层需要做到很薄以保证501栅极对200epi沟道区域的控制。实现1.5v～5v的开启电压时，常见的500栅氧层厚度是20a～50a。一方面这需要较先进的制造工艺，增加了产品的制造成本，而栅氧层容易受厚度波动影响导致产品电性波动；另一方面，较薄的栅氧层厚度难以承受较高电压，器件鲁棒性差，在器件防护过程中500栅氧层容易被高栅极电压击穿而导致器件失效。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种栅控二极管触发的低压可控硅整流器结构保护器件，包括：

2、衬底，所述衬底上向上生长有外延层，所述外延层上分别形成有n型阱区和p型阱区；

3、所述n型阱区和所述p型阱区的顶部均掺杂形成有p型轻掺杂区和n型轻掺杂区，所述n型阱区的所述p型轻掺杂区和所述n型轻掺杂区连接作为阳极，所述p型阱区的所述p型轻掺杂区和所述n型轻掺杂区连接作为阴极；

4、隧穿结区，形成于所述p型阱区的靠近所述n型阱区的一侧的顶部；

5、至少一个栅控二极管，所述栅控二极管覆盖于所述n型阱区和所述p型阱区之间的外延层的顶部以及部分所述隧穿结区之上。

6、优选的，所述隧穿结区包括：

7、p型浓掺杂区，所述p型浓掺杂区形成于所述p型阱区的靠近所述n型阱区的一侧的顶部，所述p型浓掺杂区的靠近所述n型阱区的一侧还掺杂形成n型掺杂区，所述栅控二极管覆盖于所述n型阱区和所述p型阱区之间的外延层的顶部以及所述n型掺杂区的顶部。

8、优选的，所述衬底和所述外延层之间还形成有氧化层。

9、优选的，所述栅控二极管包括栅氧层和所述栅氧层的顶部连接的栅极；

10、所述栅氧层覆盖于所述n型阱区和所述p型阱区之间的外延层的顶部以及所述n型掺杂区的顶部。

11、本发明还提供一种栅控二极管触发的低压可控硅整流器结构保护器件，包括：

12、衬底，所述衬底上向上生长有外延层，所述外延层的顶部形成有对称的两个n型阱区；

13、每个所述n型阱区的顶部均掺杂形成有p型轻掺杂区和n型轻掺杂区，各所述n型阱区内的所述p型轻掺杂区和所述n型轻掺杂区连接分别作为第一电极和第二电极；

14、隧穿结区，形成于两所述n型阱区之间；

15、至少两个栅控二极管，每个所述栅控二极管分别对应一个所述n型阱区，各所述栅控二极管覆盖于对应的所述n型阱区和所述隧穿结区之间的所述外延层的顶部和部分所述隧穿结区的顶部。

16、优选的，所述隧穿结区包括：

17、p型浓掺杂区，所述p型浓掺杂区形成于两个所述n型阱区之间，所述p型浓掺杂区的靠近各所述n型阱区两侧还分别掺杂形成n型掺杂区；

18、各所述栅控二极管覆盖于对应的所述n型阱区和所述隧穿结区之间的所述外延层的顶部和对应一侧的所述n型掺杂区的顶部。

19、优选的，所述衬底和所述外延层之间还形成有氧化层。

20、优选的，所述栅控二极管包括栅氧层和所述栅氧层的顶部连接的栅极；

21、所述栅氧层覆盖于对应的所述n型阱区和所述隧穿结区之间的所述外延层的顶部和对应一侧的所述n型掺杂区的顶部。

22、上述技术方案具有如下优点或有益效果：在外延层中形成隧穿结，特定掺杂浓度的n区可以使得隧穿结处势垒宽度变窄、电场增强，从而在较厚的栅氧层下，也可以在较低电压下实现栅控二极管的开启，提供足够的初始电流触发scr结构，使其具备低电容、低漏电、低开启电压，同时栅极具有较高耐压的特性，提升对后级电路的防护效果和鲁棒性。

技术特征：

1.一种栅控二极管触发的低压可控硅整流器结构保护器件，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的低压可控硅整流器结构保护器件，其特征在于，所述隧穿结区包括：

3.根据权利要求1所述的低压可控硅整流器结构保护器件，其特征在于，所述衬底和所述外延层之间还形成有氧化层。

4.根据权利要求2所述的低压可控硅整流器结构保护器件，其特征在于，所述栅控二极管包括栅氧层和所述栅氧层的顶部连接的栅极；

5.一种栅控二极管触发的低压可控硅整流器结构保护器件，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的低压可控硅整流器结构保护器件，其特征在于，所述隧穿结区包括：

7.根据权利要求5所述的低压可控硅整流器结构保护器件，其特征在于，所述衬底和所述外延层之间还形成有氧化层。

8.根据权利要求7所述的低压可控硅整流器结构保护器件，其特征在于，所述栅控二极管包括栅氧层和所述栅氧层的顶部连接的栅极；

技术总结
本发明提供一种栅控二极管触发的低压SCR结构保护器件，涉及半导体技术领域，包括：衬底，衬底上向上生长有外延层，外延层上分别形成有N型阱区和P型阱区；N型阱区和P型阱区的顶部均掺杂形成有P型轻掺杂区和N型轻掺杂区，N型阱区的P型轻掺杂区和N型轻掺杂区连接作为阳极，P型阱区的P型轻掺杂区和N型轻掺杂区连接作为阴极；隧穿结区，形成于P型阱区的靠近N型阱区的一侧的顶部；至少一个栅控二极管，栅控二极管覆盖于N型阱区和P型阱区之间的外延层的顶部以及部分隧穿结区之上。有益效果是在外延层中形成隧穿结，使保护器件具备低电容、低漏电、低开启电压，同时栅极具有较高耐压的特性，提升对后级电路的防护效果和鲁棒性。

技术研发人员：郝壮壮,张伟,赵德益,蒋骞苑,苏海伟,叶毓明
受保护的技术使用者：上海维安半导体有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1